大型正铲液压挖掘机的工作装置是由回转机构、动臂、斗杆、铲斗等多个构件组成的串联开链机构，具有构造简单、操作方便、运动灵活等优点，得到越来越广泛的应用。大型正铲液压挖掘机过去基本沿用类比作图法进行设计，工作烦琐、设计精度低、周期长，且不易获得各项性能指标都比较满意的方案，因此正铲液压挖掘机的开发通常需要用物理样机来评价整机的综合性能，生成周期长、成本高、修改困难。目前，已有不少企业和研究机构对反铲挖掘机的工作装置进行了虚拟样机研究，但对大型正铲矿用液压挖掘机的研究很少。
本文用PRO/E软件建立了正铲液压挖掘机虚拟样机模型，用ADAMS软件对工作装置进行仿真分析，有效地避免了物理样机开发模式存在的缺陷，使产品的开发周期缩短，设计质量得到提高。通过对制造的物理样机进行测试，对比分析了试验测试数据，说明该方法可满足设计要求，同时为正铲液压挖掘机物理样机的制造和新机型设计方案的评估提供了有效的参考数据。
1、虚拟样机模型的建立与仿真
1.1 正铲挖掘机虚拟样机模型的建立
正铲液压挖掘机是由回转机构、动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、开斗油缸、底盘等构件组成。以CE750正铲液压挖掘机为例，采用PRO/E软件对正铲液压挖掘机组成零件进行三维建模，然后以底盘为基础进行虚拟样机模型装配。正铲液压挖掘机二维装配及运动仿真模型见图1。
|
|
图1：挖掘机虚拟样机模型
|
1.2模型转化
利用MSC公司开发的与PRO/E软件的专用接口MECH/PRO，将在PRO/E建立的整机模型导入仿真软件ADAMS中。导入ADAMS中的液压挖掘机虚拟样机需要重新给各个零件施加约束，结合实际在开斗油缸、铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸上共定义了4个移动副，在回转底座与行走机构之间定义了1个转动副，在其他刚体各铰接点位置分别定义了4个转动副、4个圆柱副、4个球形副和2个固定副。
1.3添加驱动
在油缸缸筒和油缸活塞杆之间直接添加移动驱动。由于4组油缸的对称性，故将油缸的驱动定义在中性面上，共计施加4个移动驱动；在回转平台与行走机构之问的转动副上施加1个旋转驱动。经过样机模型校核，机构的自由度为5，没有冗余约束，样机正确。建立的虚拟样机模型和样机检验结果如图1所示。
2、仿真分析
2.1运动学仿真
从正铲液压挖掘机的2个典型工况加以说明。
2.1.1挖掘范围的仿真
将开、斗油缸锁定，然后把动臂、斗杆、铲斗3组油缸从全缩状态运动到全伸状态，从而得到挖掘机的挖掘范围包络图。选取斗齿尖一maker点，追踪其运动轨迹，运行仿真后得到的挖掘机的挖掘轨迹包络图如图2所示，测量该点X方向和Y方向的位移，进入ADAMS的后处理界面，依据定义可以得到挖掘机的几个主要作业尺寸。斗齿尖某点的X方向和Y方向位移图如图3所示，其中实线表示X方向位移曲线变化图，虚线表示Y方向位移曲线变化图。各作业尺寸的具体数值见表1。
|
|
图2：挖掘轨迹包络图
|
|
|
表1：工作装置主要作业范围参数
|
|
|
图3：斗齿尖某点的X方向和Y方向位移图
|
分析表中数据可以看出，正铲液压挖掘机虚拟样机模型仿真数据与设计值基本相等，说明建立的模型和仿真方法是正确的。
2.1.2工作装置水平推压仿真
本文所研究的正铲液压挖掘机工作装置属于挖掘装载装置，与普通正铲的主要区别在于它以实现水平直线挖掘为主。所谓水平直线挖掘轨迹，一是要求铲斗斗齿在挖掘过程中能沿水平地面作直线运动，二是要求斗的切削角(或者斗底对地面的夹角ａ)保持不变。本文所研究的液压挖掘机采用水平推压技术，可使铲斗在停机面上作水平直线运动。它把铲斗缸直接铰接在动臂端部，使斗杆、铲斗缸、动臂上端部、底卸斗等4部分组成一个近似平行四边形机构，另外通过液压回路的控制，可使动臂和铲斗在斗杆推压时实现浮动，从而实现水平直线作业。
鉴于水平推压过程是该类型挖掘机的主要挖掘工况之一，本文对该过程进行了虚拟样机的动态仿真。
选取斗齿尖一标记点maker-122，测量其Y方向的位移，如图4所示，可以看出在整个推压过程中其Y坐标值基本保持不变，说明所设计的正铲液压挖掘机能较好完成整个水平推压运动过程。
|
|
图4：斗齿maker-122标记点Y方向的位移图
|
2.2动力学仿真
正铲液压挖掘机的发展较晚，相关理论的研究也很少，且由于其挖掘过程的复杂性，造成对挖掘阻力直接分析非常困难。目前国内外还没有关于矿用正铲液压挖掘机挖掘阻力的经验公式可循，因此正铲液压挖掘机的动力学仿真，不能像反铲那样依据有关理论公式计算出的挖掘阻力值，在仿真时作为已知载倚添加以实现整个仿真过程。本文将某70t级矿用正铲液压挖掘机进行现场测试所得到的挖掘阻力值，作为仿真的已知载荷，完成挖掘机的动力学仿真。